計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)----數(shù)字濾波

1、<p>　　信息工程課程設(shè)計(jì)報(bào)告書</p><p>　　課 程 名 稱 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)</p><p>　　課程設(shè)計(jì)總評(píng)成績(jī) </p><p>　　學(xué)生姓名、學(xué) 號(hào) </p><p>　　學(xué) 生 專 業(yè) 班級(jí)

2、 自動(dòng)化1092 </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師 姓名 </p><p>　　課程設(shè)計(jì)起止日期 2012/1/7——2012/1/13 </p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)基本要求</b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)是工科學(xué)生十分重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)

3、學(xué)生綜合運(yùn)用先修課程的理論知識(shí)和專業(yè)技能，解決工程領(lǐng)域某一方面實(shí)際問題的能力。課程設(shè)計(jì)報(bào)告是科學(xué)論文寫作的基礎(chǔ)，不僅可以培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的邏輯歸納能力、綜合分析能力和文字表達(dá)能力，也是規(guī)范課程設(shè)計(jì)教學(xué)要求、反映課程設(shè)計(jì)教學(xué)水平的重要依據(jù)。為了加強(qiáng)課程設(shè)計(jì)教學(xué)管理，提高課程設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量，特?cái)M定如下基本要求。</p><p>　　1. 課程設(shè)計(jì)教學(xué)一般可分為設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證、項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析、答辯等4個(gè)

4、環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都應(yīng)有一定的考核要求和考核成績(jī)。</p><p>　　2. 課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題要符合本課程設(shè)計(jì)教學(xué)大綱的要求，該項(xiàng)目應(yīng)能突出學(xué)生實(shí)踐能力、設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；該項(xiàng)目有一定的實(shí)用性，且學(xué)生通過努力在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)是可以完成的。課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱、目的及技術(shù)要求記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書一、二項(xiàng)中，課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的選題考核成績(jī)占10%左右。</p><p>　　3. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主

5、要包括可行性設(shè)計(jì)方案論證、從可行性方案中確定最佳方案，實(shí)施最佳方案的軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖。項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證內(nèi)容記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書第三項(xiàng)中，項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證主要考核設(shè)計(jì)方案的正確性、可行性和創(chuàng)新性，考核成績(jī)占30%左右。</p><p>　　4. 項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析主要包括項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作結(jié)果的工藝水平，項(xiàng)目測(cè)試性能指標(biāo)的正確性和完整性，項(xiàng)目測(cè)試中出現(xiàn)故障或錯(cuò)誤原因的分析和處理方法。項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析記錄

6、于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書第四項(xiàng)中，考核成績(jī)占25%左右。</p><p>　　5. 學(xué)生在課程設(shè)計(jì)過程中應(yīng)認(rèn)真閱讀與本課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目相關(guān)的文獻(xiàn)，培養(yǎng)自己的閱讀興趣和習(xí)慣，借以啟發(fā)自己的思維，提高綜合分和理解能力。文獻(xiàn)閱讀摘要記錄于課程設(shè)計(jì)報(bào)告書第五項(xiàng)中，考核成績(jī)占10%左右。</p><p>　　6. 答辯是課程設(shè)計(jì)中十分重要的環(huán)節(jié)，由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師向答辯學(xué)生提出2～3個(gè)問題，通過答辯可進(jìn)一步了解

7、學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)中理論知識(shí)和實(shí)際技能掌握的程度，以及對(duì)問題的理解、分析和判斷能力。答辯考核成績(jī)占25%左右。</p><p>　　7.學(xué)生應(yīng)在課程設(shè)計(jì)周內(nèi)認(rèn)真參加項(xiàng)目設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，按時(shí)完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告書交給課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師評(píng)閱。課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師應(yīng)認(rèn)真指導(dǎo)學(xué)生課程設(shè)計(jì)全過程，認(rèn)真評(píng)閱學(xué)生的每一份課程設(shè)計(jì)報(bào)告，給出課程設(shè)計(jì)綜合評(píng)閱意見和每一個(gè)環(huán)節(jié)的評(píng)分成績(jī)（百分制），最后將百分制評(píng)分成績(jī)轉(zhuǎn)換為五級(jí)分制（優(yōu)秀、良好、中

8、等、及格、不及格）總評(píng)成績(jī)。</p><p>　　8. 課程設(shè)計(jì)報(bào)告書是實(shí)踐教學(xué)水平評(píng)估的重要資料，應(yīng)按課程、班級(jí)集成存檔交實(shí)驗(yàn)室統(tǒng)一管理。</p><p>　　一、課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱</p><p><b>　　數(shù)字濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)目的及技術(shù)要求 </p><p&

9、gt;<b>　　初始條件：</b></p><p>　　1．用計(jì)算機(jī)模擬帶有干擾的正弦信號(hào)R（頻率100Hz）。首先計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，再與正弦信號(hào)疊加。</p><p>　　2．計(jì)算機(jī)對(duì)含有干擾的正弦信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，保留正弦信號(hào)，去除干擾。</p><p>　　3．輸入為模擬電壓，輸入模擬電壓范圍為0～+5V，最后濾波的結(jié)果用LE

10、D顯示器顯示。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù)：</p><p>　　1）分析數(shù)字濾波的常用方法，以及各自的優(yōu)缺點(diǎn)；</p><p>　　2）采用一階慣性濾波器算法，設(shè)計(jì)算法程序；</p><p>　　3）在顯示器上顯示濾波前與濾波后的信號(hào)曲線；</p><p>　　4）通過數(shù)據(jù)分析采樣周期T對(duì)濾波效果的影響；

11、</p><p>　　5）撰寫設(shè)計(jì)說明書。</p><p>　　三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案論證(可行性方案、最佳方案、軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖)</p><p>　　3.1分析數(shù)字濾波的常用方法</p><p>　　下面給出幾種常用的作為參考，并進(jìn)行比較。</p><p>　?。?）限幅濾波法（又稱程序判斷濾波法）

12、</p><p>　　A、方法：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設(shè)為A），每次檢測(cè)到新值時(shí)判斷：如果本次值與上次值之差<=A,則本次值有效。如果本次值與上次值之差>A,則本次值無效,放棄本次值,用上次值代替本次值 </p><p>　　B、優(yōu)點(diǎn)：能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。 </p><p>　　C、缺點(diǎn)：無法抑制那種周期性的干擾，平

13、滑度差。</p><p>　?。?）中位值濾波法 </p><p>　　A、方法：連續(xù)采樣N次（N取奇數(shù)），把N次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值。 </p><p>　　B、優(yōu)點(diǎn)：能有效克服因偶然因素引起的波動(dòng)干擾，對(duì)溫度、液位的變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有良好的濾波效果。</p><p>　　C、缺點(diǎn)：對(duì)流量、速度等快速變化的參數(shù)不宜。&l

14、t;/p><p>　?。?）算術(shù)平均濾波法 </p><p>　　A、方法：連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。N值較大時(shí)：信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時(shí)：信號(hào)平滑度較低，但靈敏度較高。N值的選?。阂话懔髁?，N=12；壓力：N=4 </p><p>　　B、優(yōu)點(diǎn)：適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波，這樣信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)

15、。 </p><p>　　C、缺點(diǎn)：對(duì)于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制不適用，比較浪費(fèi)RAM。</p><p>　?。?）遞推平均濾波法（又稱滑動(dòng)平均濾波法） </p><p>　　A、方法：把連續(xù)取N個(gè)采樣值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每次采樣到一個(gè)新數(shù)據(jù)放入隊(duì)尾,并扔掉原來隊(duì)首的一次數(shù)據(jù).(先進(jìn)先出原則)，把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算,

16、就可獲得新的濾波結(jié)果。N值的選?。毫髁?，N=12；壓力：N=4；液面，N=4~12；溫度，N=1~4 </p><p>　　B、優(yōu)點(diǎn)：對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。 </p><p>　　C、缺點(diǎn)：靈敏度低 ，對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，比較浪費(fèi)RAM</p>&

17、lt;p>　?。?）中位值平均濾波法（又稱防脈沖干擾平均濾波法） </p><p>　　A、方法：相當(dāng)于“中位值濾波法”+“算術(shù)平均濾波法”。連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。N值的選?。?~14 </p><p>　　B、優(yōu)點(diǎn)：融合了兩種濾波法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，的新數(shù)據(jù)先進(jìn)行限幅處理，再送入隊(duì)列進(jìn)行遞推平均濾波處理。 &

18、lt;/p><p>　　B、優(yōu)點(diǎn)：融合了兩種濾波法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差。 </p><p>　　C、缺點(diǎn)：比較浪費(fèi)RAM。</p><p>　　（7）一階滯后濾波法 </p><p>　　A、方法：取a=0~1，本次濾波結(jié)果=（1-a）*本次采樣值+a*上次濾波結(jié)果。 </p>&l

19、t;p>　　B、優(yōu)點(diǎn)：對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻率較高的場(chǎng)合。 </p><p>　　C、缺點(diǎn)： 相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決于a值大小，不能消除濾波頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號(hào)。</p><p>　　（8）加權(quán)遞推平均濾波法 </p><p>　　A、方法：是對(duì)遞推平均濾波法的改進(jìn)，即不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)。通常是，越接近現(xiàn)時(shí)

20、刻的數(shù)據(jù)，權(quán)取得越大。給予新采樣值的權(quán)系數(shù)越大，則靈敏度越高，但信號(hào)平滑度越低。 </p><p>　　B、優(yōu)點(diǎn)：適用于有較大純滯后時(shí)間常數(shù)的對(duì)象和采樣周期較短的系統(tǒng)。 </p><p>　　C、缺點(diǎn)：對(duì)于純滯后時(shí)間常數(shù)較小，采樣周期較長(zhǎng)，變化緩慢的信號(hào)不能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度，濾波效果差。</p><p>　　3.2 硬件電路設(shè)計(jì)</p>

21、<p>　　3.2.1 主控電路</p><p>　　ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。并且內(nèi)部自帶8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC 。</p><p&g

22、t;<b>　　圖1 主控電路圖</b></p><p>　　3.2.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換</p><p>　　DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè)DA芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。</p>

23、<p>　　圖2 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖</p><p><b>　　3.3 程序設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.3.1設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　常用的RC濾波器的傳遞函數(shù)</p><p>　　其中Tf=RC,它的濾波效果取決于濾波時(shí)間常數(shù)Tf。因此，RC濾波器不可能

24、對(duì)極低頻率的信號(hào)進(jìn)行濾波。為此，人們模仿上式做成一階慣性濾波器亦稱低通濾波器。</p><p>　　即將上式寫成差分方程</p><p><b>　　稍加整理得</b></p><p>　　其中，α稱為濾波系數(shù)，且0＜α＜1，Ts為采樣周期，Tf為濾波器時(shí)間常數(shù)。 根據(jù)慣性濾波器的頻率特性，若濾波系數(shù)α越大，則帶寬越窄，濾波頻率也越

25、低。因此，需要根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)選取α值，使得被測(cè)參數(shù)既不出現(xiàn)明顯的紋波，反應(yīng)又不太遲緩。</p><p>　　3.3.2 一階慣性濾波器算法設(shè)計(jì)</p><p>　　低通濾算法程序和加權(quán)平均濾波相似，但加權(quán)系統(tǒng)只有兩個(gè)：a和1-a，因?yàn)橹挥袃身?xiàng)，a和1-a均以立即數(shù)的形式編入程序中，不另設(shè)表格。雖然采樣值為單元字節(jié)，為保證運(yùn)算精度，濾波輸出值用雙字節(jié)表示，其中一字節(jié)整數(shù)，一字節(jié)小數(shù)，否則

26、有可能因?yàn)槊看紊崛ノ矓?shù)而使輸出不會(huì)變化。</p><p>　　低通濾波的程序如下：</p><p>　　//為加快程序處理速度，假定基數(shù)為100，//a=0～100</p><p>　　#define a 50</p><p>　　char value;</p><p>　　char filter_6()</p&

27、gt;<p><b>　　{</b></p><p>　　char new_value;</p><p>　　new_value=get_data();</p><p>　　return(100-a)*value+a*new_value;</p><p><b>　　}</b><

28、/p><p>　　一階低通濾波算法對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻繁的參數(shù)濾波，其不足之處是帶來了相位滯后，靈敏度低。滯后的程度取決于a值的大小。同時(shí)，它不能濾除頻率高于采樣頻率1/2（奈奎斯特頻率）的干擾信號(hào)，對(duì)于高于奈奎斯特頻率的干擾信號(hào)，應(yīng)該采用模擬濾波器。</p><p>　　四、項(xiàng)目設(shè)計(jì)結(jié)果分析（分析試驗(yàn)過程中獲得的數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象或問題的正確性和必然性，分析產(chǎn)生不正確結(jié)

29、果的原因和處理方法）</p><p>　　改變一階慣性濾波器算法的采樣個(gè)數(shù)，運(yùn)行后得到以下輸出波形。</p><p>　　圖3 改變采樣個(gè)數(shù)后的波形（N=10）</p><p>　　圖4 改變采樣個(gè)數(shù)后的波形（N=30）</p><p>　　圖5 改變采樣個(gè)數(shù)后的波形（N=60）</p><p>　　通過以上波形可以得

30、出，改變采樣個(gè)數(shù)，的確會(huì)對(duì)濾波器的輸出產(chǎn)生影響。在前期，隨著N的增加，濾波效果會(huì)越來越明顯，這也正表明其適用于采樣周期較短的系統(tǒng)；但這一并不意味著N的取值盡可能大，如果N的取值偏大會(huì)對(duì)輸出造成負(fù)面的影響，使波形發(fā)生不必要的失真，使信號(hào)不能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受的干擾程度，不能較好的實(shí)現(xiàn)濾波效果，并且增加了計(jì)算量，反而得不償失。</p><p>　　五、參考文摘（相關(guān)文摘不少于5篇，記錄每篇文獻(xiàn)的作者姓名.文獻(xiàn)名稱.

31、文獻(xiàn)發(fā)行城市：文獻(xiàn)出版社，出版年；文獻(xiàn)內(nèi)容摘要, 每篇不少于100字）</p><p>　　[1]于海生. 《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2007摘要：工業(yè)控制是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)控制正是為了適應(yīng)這個(gè)領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來的一個(gè)專業(yè)技術(shù)，它主要研究將計(jì)算機(jī)，通信技術(shù)和自動(dòng)控制理論應(yīng)運(yùn)于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計(jì)出所需要的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是我國(guó)高

32、等學(xué)校各類自動(dòng)化，電力與電氣，計(jì)算機(jī)應(yīng)用，機(jī)體一體化等專業(yè)的主干專業(yè)課程。[2] 馮博琴，吳寧《微型計(jì)算機(jī)原理與借口技術(shù)》北京 清華大學(xué)出版社 2007摘要：本書以Intel 80x86系列微處理器作為平臺(tái)，介紹了8088，80386，Pentium 4的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。同時(shí)對(duì)包括微處理器，總線技術(shù)，存儲(chǔ)器系統(tǒng)等內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整與補(bǔ)充，使其更能反映當(dāng)前微機(jī)領(lǐng)域的新進(jìn)展與技術(shù)。[3]

33、 張晉格 《計(jì)算機(jī)控制原理與應(yīng)用》 北京 電子工業(yè)出版社 1995摘要：本書以計(jì)算機(jī)在系統(tǒng)控制中的應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為主線,涉及控制系統(tǒng)硬件、軟件、系統(tǒng)分析和應(yīng)用等方面的問題,其實(shí)踐性和應(yīng)用性較強(qiáng)。[4] 于海生等 《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》. 北京 清華大學(xué)出版社 1999摘要：計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在工業(yè)過程中的應(yīng)</p><p